新型碳纖維復合材料工藝帶來一流表面質(zhì)量

為了獲得光滑高光澤度的復合材料部件表面，大多數(shù)情況下必須在已拋光的表面再噴涂一層油漆。遺憾的是，表面的任何問題（例如微弱的沖擊和磨蝕）都會導致油漆從碳纖維基材上脫落，導致難看的白斑，同時長時間暴露于紫外線下，會導致表面泛黃。
碳纖維復合材料部件的油漆脫落問題現(xiàn)在有了解決方法，汽車技術(shù)和制造專家Prodrive公司開發(fā)的新工藝完全摒棄了油漆的使用。新工藝不僅能夠提高表面的耐久性，降低成本，還可以帶來一流的表面質(zhì)量，據(jù)說至少可以達到最好的油漆表面質(zhì)量。Martyn Roberts對此進行了介紹。



“如果某個大型板材部件本身還很完美，但僅僅由于表面油漆脫落就要替換掉是非常可惜的，例如賽車的擾流板。”Prodrive公司的復合材料工程經(jīng)理Gary White說，“我們現(xiàn)在能夠獲得非常好的表面質(zhì)量，可以完全摒棄油漆，因而獲得多重好處：單個部件成本降低、更高的耐久性和外觀的一致性。” 123456
復合材料部件表面的長期質(zhì)量對于各種應用來說都是非常重要的，包括汽車、船艇和家具，這些領域?qū)姸群椭亓炕蛘吒呖萍嫉膬?yōu)質(zhì)外觀都有要求，但實現(xiàn)起來并不容易。
“在復合材料領域20年的工作中，我從未看到過沒用油漆的均一光澤的表面。” White說，“但現(xiàn)在我們在不借助油漆的情況下，甚至可以得到AA級表面質(zhì)量。”（AA級表面質(zhì)量是最重要的視覺要求，例如汽車內(nèi)飾。）
為得到優(yōu)質(zhì)的表面，Prodrive分析了生產(chǎn)碳纖維復合材料部件的基本工藝過程，并找出了影響表面質(zhì)量的參數(shù)。關鍵因素之一是要非常嚴格的控制部件和模具之間的接觸面。由于復合材料層是逐層鋪放到模具內(nèi)的，那么就有可能滯留氣泡，從而影響層間的粘接和與模具相接觸的最外層材料的鋪放。Prodrive的工藝通過控制這一制造過程的壓力、溫度和耐久性數(shù)值，可以取得非常好的結(jié)果。

“我們設定了一套工藝條件，已盡可能強化與模具表面接觸的外層材料。我們也特別關注模具的表面質(zhì)量，并與供應商制訂了一個預浸料性能規(guī)范。”White說。

現(xiàn)代手藝者

該工藝采用的是在零下18℃冷藏的粒狀材料，以防止樹脂的脫落。該材料在冷凍條件下可以保存12個月，而在室溫條件下，30天之后就無法使用了。Prodrive不使用標準材料，而是對不同的應用有其自身的規(guī)范要求。
成卷的預浸片材在室溫下穩(wěn)定24小時之后展開，采用計算機程序在平面繪圖儀上劃出部件的形狀，然后通過合理排列使浪費減至最少，材料的利用率通?？蛇_90%。
作為Prodrive質(zhì)量保證的一部分，每個部件從此時起都采用獨一無二的標簽做出標記，以便在整個制造過程和使用過程中進行跟蹤。這些標簽不會對這些過程造成干擾，也無法蓄意破壞。

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四組人同時將預浸料部件手工鋪放到模具內(nèi)；根據(jù)所需部件的數(shù)量，模具可以采用碳纖維復合材料或鋁合金制造。復合材料模具可以生產(chǎn)大約250個部件，但鋁模具可以一直使用。
無漆工藝的成功應用需要操作人員具有較高的技術(shù)水平和專注程度，他們必須親手將預浸料熟練地鋪放到模具的每個角落，不能破壞纖維。Prodrive依照最高標準培訓他們自己的技術(shù)人員，以進行此項操作，整個培訓要持續(xù)2-3年。完成培訓的復合材料技師就是現(xiàn)代的手工藝者，只是他們處理的不是金屬、木材或者皮革，而是樹脂和纖維。
預浸料部件放到模具中后，在進入高壓釜之前，要用抽空的真空袋包裹起來。真空操作有助于消除樹脂中的氣泡，從而避免形成空隙，造成分層。高壓釜在一定壓力下加熱組件，時間通常為一個小時左右。
高溫加熱后，該部件從模具中取出后，根據(jù)精度要求、操作難度和加工廠的復雜度，進行手工或采用CNC機床修整。此處采用的是氣動工具，因為電機會吸收灰塵。在進行最后的檢查之前，還要進行手工拋光。

質(zhì)量標準

Prodrive工藝的第一個生產(chǎn)應用是為歐洲的一家超級汽車生產(chǎn)商供應各種板材和組件。 Prodrive的貢獻不僅在于供應部件，而且還為客戶撰寫適用于新工藝的生產(chǎn)質(zhì)量標準。當該公司的工程師找到Prodrive時，他們認為最后的油漆過程一定是非常關鍵的。
White接著說：“他們過去所有的質(zhì)量檢查過程都是以油漆表面為基礎的。
無漆表面的質(zhì)量問題是完全不同的。例如，噴涂的表面通常會造成滲色或魚眼；非噴涂的表面則可能會出現(xiàn)針孔?？紤]到這些，我們?yōu)樗麄冏珜懥诵碌馁|(zhì)量標準，他們非常高興，他們不僅得到了頂級質(zhì)量的部件，而且制定了他們自己的供應商質(zhì)量標準。”
Prodrive工藝制成的部件也受到了其他客戶的歡迎。如果存在預加工過程，則必須進行一定程度的拋光，以達到必需的表面標準。目前Prodrive工藝的最大產(chǎn)量為400個部件/月。對于以手工操作為主的小型生產(chǎn)商，該工藝可以根據(jù)需要進行調(diào)整以滿足產(chǎn)量要求。 copyright 123456
Prodrive為還不習慣使用復合材料的客戶提供全面的服務，在設計、制造、供應和服務的全過程提供質(zhì)量保證。材料的替換時最簡單的一個步驟，復合材料替代現(xiàn)有材料時不需要重新設計產(chǎn)品。這將帶來重量、耐久性和維護方面的一些顯著優(yōu)勢，但當客戶對此充滿信心并在設計階段全面發(fā)掘其優(yōu)異的性能時，他們獲得的會更多。
Prodrive的文化就是開發(fā)有創(chuàng)意的、實用的、低成本解決方案，以滿足技術(shù)上的挑戰(zhàn)。Prodrive工藝就是這一宗旨的表現(xiàn)之一，但在其背后，還有很多。“另一家知名的賽車制造商也找到了我們，希望我們?yōu)槠涔獜秃喜牧喜考?rdquo;White繼續(xù)到。
“他們已經(jīng)達到了結(jié)構(gòu)和尺寸方面的要求，但是對外觀并不滿意。而我們通過控制每個部件中的編織方向，能夠同時滿足這三項要求。我們的質(zhì)量和按時的交貨給這家客戶留下了很好的印象，因此盡管處于經(jīng)濟衰退時期，他們還是索取了報價單，希望引進我們的產(chǎn)品。”



其他應用

除了汽車行業(yè)的應用，Prodrive的客戶群還包括航空航天、通訊、船艇，其中最特殊的當屬高端HiFi行業(yè)。
音響制造商KEF與Prodrive進行了技術(shù)方面的合作，設計出一種被作Blade的概念產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用碳纖維復合材料外殼，具有非常高的表面質(zhì)量和驚人的視覺吸引力。對于結(jié)構(gòu)性能方面的要求（例如強度和固有頻率），Prodrive和KEF的工程師對其進行了仔細的控制，從而生產(chǎn)出了不受外界聲音影響的音響外殼。



“這個行業(yè)以外的人可能認為碳纖維復合材料只適用于制造賽車的高強度板和結(jié)構(gòu)部件。”Prodrive復合材料銷售經(jīng)理Matthew Bradney說，“其實對于該材料的性能來說，這只是很小的一部分應用；其密度、纖維的選擇和編織的方向都是可變的；復合材料三明治中間的‘肉’可以使鋁蜂窩、輕木或什么都沒有（實心復合材料部件）。傳統(tǒng)工程材料是沒有如此多的性能的。” 123456
復合材料具有耐化腐蝕性，在海上應用中與金屬材料相比，能夠節(jié)約大量的維護成本。Prodrive為多種海上應用提供復合材料產(chǎn)品，例如近海平臺和賽艇。海上平臺在原油過濾器中采用非常耐腐蝕的輕質(zhì)復合材料取代原來的鋼材，以延長其使用壽命，降低維護成本。一艘參加美洲杯大賽的賽艇在高載荷絞盤外殼中采用了碳纖維復合材料，與金屬材料相比，重量和耐久性都得到了改進。

大型的復合材料結(jié)構(gòu)包括豪華游艇的駕駛橋樓和近海救生艇的船體和上部結(jié)構(gòu)。大型厚壁部件采用樹脂真空灌注等工藝制造，無需高壓釜，因此該工藝對部件沒有尺寸上的限制。
就小型部件來說，Prodrive還為頂級賽馬師提供碳纖維復合材料馬鐙，對他們來說，每一克的重量都是非常重要的。一套復合材料馬鐙大約重40克，比鋁制馬鐙輕100克。執(zhí)照馬鐙過程中，要對碳纖維的鋪放進行詳細的有限元分析，因為碳纖維的破裂時無法用X射線檢測出來的，因此其對馬匹造成的傷害很難被發(fā)現(xiàn)。

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碳纖維馬鐙

Gary White總結(jié)說：“你一定會吃驚許多人都認為碳纖維僅僅是碳纖維而已。我們針對每個新應用的解決方案都是站在全局的角度，滿足所有的需求。終端產(chǎn)品無需增加任何成本，但卻經(jīng)常擁有更多的功能，從而幫助我們的客戶提高競爭能力。”